如何学习Kubernetes
简介
所谓学习，就是要能回答几个基本问题：
- kubectl 创建 Pod 背后到底发生了什么？ 这个问题 对于一个java 工程师来说，就像“在浏览器里输入一个url之后发生了什么？” 一样基础。再进一步就是 自己从kubectl 到crd 实现一遍。
- github kubernetes community
好文章在知识、信息概念上一定是跨层次的，既有宏观架构，又有微观佐证。只有原理没有代码总觉得心虚，只有代码没有原理总觉得心累。从概念过渡到实操，从而把知识点掌握得更加扎实。
为什么会有k8s——大数据视角
Docker 技术到底解决了一个什么样的问题呢？Docker 自己宣传的口号是：一次构建到处运行。它一举解决了开发、测试、生产中环境不一致这困扰业界多年的问题。从更高的维度来说，Docker 其实解决的是软件到底应该通过什么样的方式进行交付。当软件的交付方式变得清晰明确以后，那么我们做托管软件的平台也就变得非常简单明了了。
Borg（一）：当电力成为成本瓶颈当我们采购了很多服务器，搭建起了一系列的大数据系统，我们又会发现这些服务器在很多时候负载不高，显得非常浪费。因为我们在采购服务器的时候，需要根据平时的峰值流量来确定服务器数量。如果就只是采购服务器的硬件成本，那还好，毕竟服务器我们已经采购完了。但是，对于一个数据中心来说，硬件成本只是一小部分，最大的一头在电力成本。所以，能不能尽量少用一点服务器，就变成一个很有价值的问题了。
- 一个很自然的想法，就是对我们服务器的使用进行“削峰填谷”，我们让原本在高峰时间运行的一些任务，挪到半夜这样的低谷时段去。这个思路，对于离线进行数据分析的任务，当然很容易做到，所以一般来说，我们的 Hadoop 或者 Spark 集群的 CPU 整体利用率往往很高。
- 但是对于 Kafka、Dataflow 这样提供近实时服务的数据系统，我们是没办法把峰值时段的任务，也挪到第二天半夜才计算的。所以，一个新的想法自然也就冒出来了，那就是，我们是不是可以把 MapReduce 这样的离线分析任务，也放到 Dataflow 的集群上运行呢？在半夜 Dataflow 没有什么流量的时候，我们完全可以把这部分服务器的资源用起来。
所以，我们需要有一个办法，能够让我们的各种大数据系统混合编排在同一批服务器上。事实上，这个混合编排并不局限于大数据系统，我们的业务系统也可以一并考虑进来。正是这么一个朴素的、尽量利用服务器资源的思路，就催生了 Google 的 Borg 系统，并最终从中进化出了 Kubernetes 这个开源的容器编排系统。
声明式应用管理
Kubernetes 是一个“数据库”吗？Kubernetes 里面的绝大多数功能，无论是 kubelet 执行容器、kube-proxy 执行 iptables 规则，还是 kube-scheduler 进行 Pod 调度，以及 Deployment 管理 ReplicaSet 的过程等等，其实从总体设计上都是在遵循着我们经常强调过的“控制器”模式来进行的。即：用户通过 YAML 文件等方式来表达他所想要的期望状态也就是终态（无论是网络、还是存储），然后 Kubernetes 的各种组件就会让整个集群的状态跟用户声明的终态逼近，最终达成两者的完全一致。这个实际状态逐渐向期望状态逼近的过程，就叫做 reconcile（调谐）。而同样的原理，也正是 Operator 和自定义 Controller 的核心工作方式。
声明式应用管理的本质：Infrastructure as Data/Configuration as Data，这种思想认为，基础设施的管理不应该耦合于某种编程语言或者配置方式，而应该是纯粹的、格式化的、系统可读的数据，并且这些数据能够完整的表征使用者所期望的系统状态。这样做的好处就在于，任何时候我想对基础设施做操作，最终都等价于对这些数据的“增、删、改、查”。而更重要的是，我对这些数据进行“增、删、改、查”的方式，与这个基础设施本身是没有任何关系的。
这种好处具体体现在 Kubernetes 上，就是如果我想在 Kubernetes 上做任何操作，我只需要提交一个 YAML 文件，然后对这个 YAML 文件进行增删改查即可。而不是必须使用 Kubernetes 项目的 Restful API 或者 SDK 。这个 YAML 文件里的内容，其实就是 Kubernetes 这个 IaD 系统对应的 Data（数据）。Kubernetes 从诞生起就把它的所有功能都定义成了所谓的“API 对象”，其实就是定义成了一份一份的 Data。Kubernetes 本质上其实是一个以数据（Data）来表达系统的设定值、通过控制器（Controller）的动作来让系统维持在设定值的调谐系统。
既然 Kubernetes 需要处理这些 Data，那么 Data 本身不是也应该有一个固定的“格式”这样 Kubernetes 才能解析它们呢？没错，这里的格式在 Kubernetes 中就叫做 API 对象的 Schema。Kubernetes 为你暴露出来的各种 API 对象，实际上就是一张张预先定义好 Schema 的表（Table）。而我们绞尽脑汁编写出的那些 YAML 文件，其实就是对这些表中的数据（Data）进行的增删改查（CURD）。唯一跟传统数据库不太一样的是，Kubernetes 在拿到这些数据之后，并不以把这些数据持久化起来为目的。
如果你从一个“数据库”的角度重新审视 Kubernetes 设计的话
- 数据模型 - Kubernetes 的各种 API 对象与 CRD 机制
- 数据拦截校验和修改机制 - Kubernetes Admission Hook
- 数据驱动机制 - Kubernetes Controller/Operator
- 数据监听变更与索引机制 - Kubernetes 的 Informer 机制
随着 Kubernetes 基础设施越来越复杂，第三方插件与能力越来越多，社区的维护者们也发现 Kubernetes 这个“数据库”内置的“数据表”无论从规模还是复杂度上，都正在迎来爆炸式的增长。所以 Kubernetes 社区很早就在讨论如何给 Kubernetes 设计出一个“数据视图（View）”出来。阿里正在推 （OAM）及 oam-kubernetes-runtime。
声明式的好处 在ansible学习 ansible 与其它集群操作工具saltstack等的对比中也有体现。
一个充分支持扩展的系统
Kubernetes 本身就是微服务的架构，虽然看起来复杂，但是容易定制化，容易横向扩展。在 Kubernetes 中几乎所有的组件都是无状态化的，状态都保存在统一的 etcd 里面，这使得扩展性非常好，组件之间异步完成自己的任务，将结果放在 etcd 里面，互相不耦合。有了 API Server 做 API 网关，所有其他服务的协作都是基于事件的，因而对于其他服务进行定制化，对于 client 和 kubelet 是透明的。
| k8s涉及的组件 | 功能交付方式 | |
|---|---|---|
| crd | API，随着社区的发展，某些通用需求的crd 会逐渐标准化，以便在不同的云厂商之间迁移 | |
| kubectl | binary，用户直接使用 | |
| kubelet | binary，提供http服务 | |
| cri-shim | grpc server | |
| csi | grpc server | |
| cni plugin | binary，程序直接使用 | binary 放在约定目录，需要安装到所有Node节点上 |
| adminssion controller | webhook | |
| Scheduler plugin | 被编译到Scheduler中 | |
| Operator | binary，以容器方式运行在Kubernetes 集群中 通过扩展API server支持与kubectl 交互 |
|
| Ingress Controller | pod 部署在 Kubernetes 集群里，根据api server 中Ingress 数据做出处理即可 | |
| metric server | 以Deployment 方式运行 | |
| cadvisor | 以源码包方式被集成在 kubelet里 |
单机有 ubuntu centos 操作系统；集群中可以把 Kubernetes 看成云操作系统。单机有计算、存储、网络等驱动；集群有 CNI/CSI/CRI 实现像是集群的驱动。
从技术实现角度的整体设计
对于一个编排系统来说，资源管理至少需要考虑以下几个方面：
- 资源模型的抽象；包括，
- 有哪些种类的资源，例如，CPU、内存等；
- 如何用数据结构表示这些资源；
- 资源的调度
- 如何描述一个 workload 的资源申请（spec），例如，“该容器需要 4 核和 12GB~16GB 内存”；
- 如何描述一台 node 当前的资源分配状态，例如已分配/未分配资源量，是否支持超分等；
- 调度算法：如何根据 workload spec 为它挑选最合适的 node；
- 资源的限额（capacity enforcement）
- 如何确保 workload 使用的资源量不超出预设范围（从而不会影响其他 workload）；
- 如何确保 workload 和系统/基础服务的限额，使二者互不影响。 k8s 是目前最流行的容器编排系统，那它是如何解决这些问题的呢？
A few things I’ve learned about Kubernetes 值得读三遍
47 advanced tutorials for mastering Kubernetes 设计k8s 的方方面面，未详细读
- pkg是kubernetes的主体代码，里面实现了kubernetes的主体逻辑
- cmd是kubernetes的所有后台进程的代码，主要是各个子模块的启动代码，具体的实现逻辑在pkg下
- plugin主要是kube-scheduler和一些插件
go get -d k8s.io/kubernetes
cd $GOPATH/src/k8s.io/kubernetes
k8s各个组件的实现思路
除apiserver/kubectl 之外（kubelet 类似，但更复杂些），与api server 通信的Controller/Scheduler 的业务逻辑几乎一致
- 组件需要与apiserver 交互，但核心功能组件不直接与api-server 通信，而是抽象了一个Informer 负责apiserver 数据的本地cache及监听。Informer 还会比对 资源是否变更（依靠内部的Delta FIFO Queue），只有变更的资源 才会触发handler。因为Informer 如此通用，所以Informer 的实现在 apiserver 的 访问包client-go 中。在k8s推荐的官方java库中，也支持直接创建Informer 对象。
- 组件 全部采用control loop 逻辑
- 组件 全部内部维护一个 queue队列，通过注册Informer事件 函数保持 queue数据的更新 或者说 作为队列的生产者，control loop 作为队列的消费者。
- 通过Informer 提供过的Lister 拥有遍历数据的能力，将操作结果 重新通过kubeclient 写入到apiserver
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